基線測量技術(shù)更新的實用化研究*

劉天海 尚紅 寇建新 陳亮 楊懷寧 張金城

(1)中國地震應(yīng)急搜救中心，北京100049) 2)河北省磁縣地震局，磁縣056500

基線測量技術(shù)更新的實用化研究*

劉天海1)尚紅1)寇建新1)陳亮2)楊懷寧1)張金城1)

(
1)中國地震應(yīng)急搜救中心，北京100049) 2)河北省磁縣地震局，磁縣056500

針對基線測量逐漸淘汰的現(xiàn)實，結(jié)合工作實際開展了用精密測距替代基線丈量的實用化研究與試驗。通過測量誤差分析，結(jié)合儀器性能和基線測量技術(shù)要求，在理論研究的基礎(chǔ)上，進行了室內(nèi)外大量測試，不斷改進技術(shù)設(shè)計，修訂操作規(guī)程，實現(xiàn)了基線測量技術(shù)的更新?lián)Q代和數(shù)字化改造。6年多的監(jiān)測實踐表明，基線測量技術(shù)更新是成功的。

基線測量;精密測距;跨斷層測量;三維變形監(jiān)測;技術(shù)更新

AbstractIn so much as the reality that the baseline measurement will be gradually falling into disuse，precise range measurement instead of baseline measurement is practically studied and tested.By means of the analysis of measurement error，the combination with the related equipment performance and its technical requirement，and on the basis of the study for theory，precise range measurements had been conducted numerously indoor and outdoor.In the meantime，its technical design is constantly modified，and its operational regulation is revised as well.As a result，the baseline measurement technique is updated and digitally remodified.The results of 6 years monitoring show that the updated baseline measurement technique is successful，the achievement is worth to be widely applied.

Key words:baseline measurement;precise range measurement;across-fault measurement;3D deformation monitoring;technical renovation

1 問題的提出

跨斷層形變監(jiān)測被認為是較可靠的地震前兆監(jiān)測手段之一［1－21］。截至2009年，全國范圍內(nèi)在測的跨斷層形變場地約有340處，其中29處進行了精密水準測量和基線(或精密距離)測量，實現(xiàn)了跨斷層三維變形觀測。其他場地僅進行單項水準觀測，未能獲取監(jiān)測點的三維變形信息，使資料的實際應(yīng)用價值受到限制。

究其因是跨斷層測量距離一般較短，通常只有幾十米到上百米，水平形變測量采用傳統(tǒng)的基線丈量法。該方法使用24 m的因瓦線尺丈量，這種人工模擬觀測雖可獲得較高的精度，但組織實施較困難，場地布設(shè)有特定要求，建設(shè)與監(jiān)測投資較大，難以普及。尤其是近20年來，用于基線測量的因瓦線尺已停產(chǎn)，基線丈量已逐步被淘汰。為獲取跨斷層場地三維變形監(jiān)測信息，急需尋求滿足基線測量精度要求的短距離精密觀測方法。

使用高精度測距儀理論上可實現(xiàn)短距離的精密測量，但按照規(guī)范［22］要求，當測量距離在50 m之內(nèi)(1～2尺段)時，測量成果的相對精度應(yīng)滿足1/50萬，50 m以上時應(yīng)優(yōu)于1/70萬。這就意味著50 m內(nèi)多次距離測量的中誤差不得大于±0.10 mm，100 m的距離測量中誤差應(yīng)小于±0.143 mm，即使采用精密測距儀在常規(guī)測量中也難以滿足此精度要求。

近年來，隨著高穩(wěn)定性精密測距儀的問世，使得可滿足基線丈量精度的短距離測量成為可能。本文通過對Leica精密測距儀性能的研究與大量實踐認為，使用該系列儀器通過采取相應(yīng)的技術(shù)措施，在較短距離上可獲得傳統(tǒng)基線丈量的精度，且組織實施較傳統(tǒng)基線丈量更便捷，建設(shè)與運行投資更小。

2 可行性研究

2.1 儀器性能分析

短距離高精度測量儀器至少應(yīng)具備兩個條件:足夠高的內(nèi)符合精度和分辨率及長期穩(wěn)定性和可靠性。Leica系列精密測距儀具有0.1 mm分辨率，標稱精度為±(1 mm+D·10－6)。

表1給出了Leica 3種型號精密測距儀近年來加常數(shù)與乘常數(shù)測定結(jié)果。其中，加常數(shù)為儀器與反射鏡綜合值，乘常數(shù)按文獻［22］補充規(guī)定通過直接測定儀器的工作頻率獲得。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，此類儀器的加常數(shù)與乘常數(shù)長期穩(wěn)定性較好，儀器的加常數(shù)測定中誤差基本可控制在±0.12 mm左右，乘常數(shù)測定中誤差可控制在±0.09×10－6內(nèi)。

表1 儀器加常數(shù)與乘常數(shù)測定結(jié)果統(tǒng)計Tab.1Statistics of the results of equipment’s addition and proportion constant measurement

2.2 誤差分析

2.2.1 儀器方面的誤差m1

儀器方面的誤差m1主要包括加常數(shù)測定誤差ma、乘常數(shù)測定誤差mb和儀器本身機-電特性及隨機噪聲影響導致的觀測誤差mc等。

儀器加常數(shù)測定誤差ma經(jīng)大量實際觀測結(jié)果根據(jù)文獻［23］，短距離精密測量的偶然誤差m主要包括來自儀器方面的誤差m1、氣象誤差m2、點位對中誤差m3、儀器高鏡高改正誤差m4和觀測誤差m5等。根據(jù)誤差傳播理論，其綜合誤差可表示為:統(tǒng)計，單次測定通?？煽刂圃凇?.12 mm左右，按技術(shù)規(guī)范要求，對于穩(wěn)定的儀器其加常數(shù)采用測前測后均值，故此誤差可控制在±0.085 mm左右。

儀器乘常數(shù)測定誤差mb，多年實測結(jié)果統(tǒng)計表明，單次測定通常小于±0.09×10－6，同樣乘常數(shù)改正也取測前測后均值，故此誤差可控制在0.064 mm左右。對于50 m邊長其影響為±0.003 mm左右，而當被測距離達到500 m時為±0.032 mm左右。

儀器本身的偶然誤差mc，可通過開測前充分預(yù)熱，觀測中對儀器全面遮陽，以及定期進行標定檢測與維護等措施，可得到有效抑制。大量外業(yè)觀測實踐表明，對于50 m邊長mc單測回一般可控制在±0.1 mm之內(nèi)。按技術(shù)要求每條邊應(yīng)觀測4光段，每光段觀測10測回，故其中數(shù)誤差為0.016 mm左右。對于500 m邊長mc單測回一般可控制在±0.3 mm之內(nèi)，4光段10測回中數(shù)誤差為0.047 mm左右。3項誤差的綜合影響表示為:

將上述測算結(jié)果代入式(2)，可得到50 m觀測邊長時來自儀器方面的綜合誤差可控制在±0.087 mm內(nèi);而500 m觀測邊長時該綜合誤差可控制在±0.102 mm以內(nèi)。

2.2.2 氣象誤差m2

文獻［24］的分析表明，當干溫測定誤差在1℃時對距離觀測值的影響約為1×10－6;當氣壓測定誤差在1 hPa時對距離觀測值的影響約為0.3× 10－6，而濕溫測定誤差對觀測距離的影響通常僅有干溫的十分之一，一般可不必顧及。

在實際作業(yè)中，干溫測定誤差一般可控制在0.2℃，氣壓測定誤差可控制在0.3 hPa。為此，氣象誤差對距離觀測結(jié)果的影響在0.219×10－6左右。對于50 m邊長，該影響約為±0.011 mm，當觀測邊長為500 m時可達到±0.110 mm。

由于跨斷層測線一般均較短，且按規(guī)范要求在儀器站和鏡站分別測定氣象元素，氣象代表性誤差較小。當邊長在50 m內(nèi)時，干溫和氣壓代表性誤差通常小于0.2℃和0.3 hPa，對觀測成果影響也在± 0.219×10－6左右，即對應(yīng)50m邊長為±0.011 mm。當邊長為500 m時，干溫和氣壓代表性誤差通常小于0.4℃和0.6 hPa，對測距成果影響為±0.439× 10－6左右，對應(yīng)500 m邊長為±0.220 mm。

綜合考慮兩項氣象誤差，對于50 m邊長，m2= ±0.016 mm;對于500 m邊長，m2=±0.246 mm。

2.2.3 點位對中誤差m3

按照規(guī)范要求，跨斷層距離測量必須采用強制對中，較可靠的方法是直接采用螺絲螺母對接，并確保連接的穩(wěn)固、可靠性，以及重復(fù)操作的一致性。采用強制歸心一次觀測可使對中誤差控制在0.1 mm內(nèi)。由于最終觀測結(jié)果為4次獨立對中觀測，且每次觀測中間檢查并對中一次，故此項誤差一般可控制在0.035 mm。

2.2.4 儀器與反射鏡不等高改正誤差m4

m4為儀器高i與反射鏡高v不等高改正誤差，當被測距離較長及傾角較小時，此項改正并不顯著，但在短距離大高差時卻不可忽視。i、v不等高時距離測量結(jié)果改正計算公式為:式中:D1為儀器觀測值;D2為經(jīng)i、v改正后的觀測值，Δ=i－v;h為鏡站與儀器站間高差，且h=H鏡－H儀。

對式(3)Δ作微分可得到:

由于Δ一般較小，由式(4)可看出，Δ的變化對觀測距離改正的影響與被測邊的長度成反比，與兩測點間高差成正比，即觀測邊長D1越短相對影響越大，兩點間高差h越大影響越顯著。而跨斷層場地正是具有邊長短高差相對較大的特點，尤其是在山區(qū)布設(shè)跨斷層場地更是如此，使得次項改正在跨斷層短邊測距誤差分析中具有特殊意義。

根據(jù)現(xiàn)行測量規(guī)范要求，外業(yè)測量將進行對向、多組觀測，使此項誤差得到一定控制。實際上，對于測距儀和反射鏡本身其基本高度一般不會發(fā)生改變，而可變的為測距儀和反射鏡在整平過程中調(diào)整腳螺旋引起的高度變化，導致儀器高i和反射鏡高v的改變。為準確測定i、v值的大小，通常是在室內(nèi)精確測定設(shè)備固定部分的高度，野外測量時用游標(千分尺)精確量取腳螺旋的變化，從而可使Δ誤差控制在±0.5 mm內(nèi)。按規(guī)范要求進行4次測量時，該誤差將減小到±0.25 mm內(nèi)。

跨斷層監(jiān)測場地高差與邊長之比為1:10時，根據(jù)式(4)m4誤差為±0.025 mm左右。當該比例為1:5時，由式(4)m4誤差將增加一倍。因此，在短距離精密測距場地布設(shè)時應(yīng)注意控制兩點間高差與觀測邊長的比，一般不得大于1:10。

2.2.5 觀測誤差m5

觀測誤差m5與觀測員個人技術(shù)有關(guān)，但由于該系列儀器為自動采集數(shù)字顯示，每一結(jié)果為多次采集數(shù)據(jù)之中數(shù)，并在儀器內(nèi)部設(shè)置了誤差閾值，因此在邊長50 m內(nèi)單次觀測該誤差可控制到0.1 mm，500 m邊長可控制在0.3 mm左右。由于每條邊長按規(guī)范要求觀測4個光段，每光段觀測10測回，其平均值為最終結(jié)果，故邊長50 m內(nèi)可使該誤差控制在±0.016 mm范圍內(nèi);邊長達到500 m時，可使該誤差控制在±0.047 mm內(nèi)。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，跨斷層精密距離測量嚴禁在觀測條件不良時進行作業(yè)，如通視不佳、大霧、呈像跳動、反射鏡周圍有強返射光源、風力超過4級、回光信號小于70%、下雨天氣、觀測中氣象驟變(一條邊觀測過程中溫度變化＞1℃或氣壓變化＞1hPa)等，使得觀測誤差得到有效控制。

2.2.6 綜合誤差評定

將相關(guān)誤差測算結(jié)果代入式(1)可得到邊長50 m內(nèi)綜合誤差m50=±0.100 mm，500 m內(nèi)綜合誤差m500=±0.274 mm。

通過上述分析，在嚴格執(zhí)行短程精密測距技術(shù)規(guī)程前提下，對于50 m的邊長綜合誤差可基本控制在±0.1 mm，500 m時可控制在±0.3 mm，從而可實現(xiàn)在50 m內(nèi)相對精度達到1/50萬，大于50 m時達到1/70萬的精度指標。上述分析也說明測線在較短(小于50 m)時相對觀測精度難以保證，為發(fā)揮精密測距的技術(shù)特點，跨斷層形變監(jiān)測測線應(yīng)適當增長，使測量成果的最終誤差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

2.3 監(jiān)測精度統(tǒng)計對比

表2為2003—2009年首都圈基線場地采用精密測距后精度統(tǒng)計，根據(jù)觀測邊不同長度，表中按50 m內(nèi)、50～100 m和大于100 m 3區(qū)段進行統(tǒng)計，在相對中誤差計算時邊長S在50 m內(nèi)取50 m，50～100 m取100 m，100 m以上按所有統(tǒng)計邊實際邊長中數(shù)計算。由表2可看出，對不同長度的測線實測精度均滿足技術(shù)規(guī)范要求。表3為全國跨斷層技術(shù)管理組提供的四川省地震局8個基線場地17條基線邊，及云南省地震局12個基線場地25條基線邊2002—2008年基線丈量精度統(tǒng)計結(jié)果。

比較表2與表3可看出，跨斷層場地采用精密測距后與傳統(tǒng)基線丈量在測量精度上具有一致性，表2平均相對精度處于表3兩省監(jiān)測精度之間。而在50 m內(nèi)(1～2尺段)，精密測距平均精度為1/ 130萬略高于兩省基線丈量的均值1/124萬;對于50～100m的邊(3～4尺段)，精密測距平均精度為1/248萬，也高于兩省基線丈量的均值1/178萬。比較表明，采用精密測距技術(shù)可達到傳統(tǒng)基線丈量的精度。

表2 2003—2009年首都圈跨斷層場地采用精密測距后精度統(tǒng)計表Tab.2Statistics of the precise range measurement of cross-fault sites in the capital circle from 2003 to 2009

表3 2002—2008年四川省、云南省地震局基線丈量精度統(tǒng)計表Tab.3Statistics of the precision of the baseline measurement measured by Sichuan＆Yunnan Earthquake Administrations between 2002 and 2008

3 監(jiān)測效果檢驗

首都圈地區(qū)自20世紀70年代初開始陸續(xù)布設(shè)跨斷層三維形變監(jiān)測場地，其中水平形變一直采用基線丈量，復(fù)測周期為12次/a，自2003年起采用精密測距替代基線測量。圖1為基線丈量與精密測距觀測曲線對比，其中圖1(a)為斜交基線，圖1(b)為直交基線，圖中2003年6月前為基線丈量結(jié)果，2003年7月后為精密測距結(jié)果。圖1觀測曲線顯示，采用精密測距替代基線測量后并未影響觀測精度，各觀測邊基本仍維持原變化形態(tài)。采用精密測距替代基線測量后每期需進行測距儀常數(shù)測定，并對成果進行改正，由于各期加常數(shù)測定間存在一定的誤差，對監(jiān)測資料帶來一些影響，故圖1中部分年周期穩(wěn)定或變化規(guī)律一致性較好的場地在2003年7月后出現(xiàn)一些差異，但對曲線整體形態(tài)和資料分析使用影響不大。

圖1中各場地觀測曲線銜接，是通過2003年6月對同場地采用兩種方法同步觀測結(jié)果歸算得出的，而每場地均進行多測回對比測量，成果可靠。另外，精密測距替代基線測量直接產(chǎn)出結(jié)果為兩點間斜距，與測線高差無關(guān)。

4 結(jié)語

鑒于基線測量因瓦線尺早已停產(chǎn)，傳統(tǒng)的模擬觀測方法逐步淘汰，為適應(yīng)短邊精密距離測量的需要，在理論研究基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)技術(shù)論證與設(shè)計，以及大量野外試驗，于2003年將精密測距用于基線測量獲得成功，實現(xiàn)了傳統(tǒng)基線測量技術(shù)更新與數(shù)字化采集，與原有基線測量成果實現(xiàn)了“無縫”銜接，為跨斷層場地三維形變監(jiān)測及相關(guān)短邊高精度監(jiān)測提供了借鑒方案。短程精密測距技術(shù)已于2006年開始用于大型水庫誘發(fā)地震監(jiān)測中，收到預(yù)期的效果。但對于短邊長大高差場地如何進行綜合誤差控制，仍需進行深入研究與實踐。

致謝感謝中國地震應(yīng)急搜救中心現(xiàn)場部、四川省地震局、云南省地震局、中國地震局第二監(jiān)測中心監(jiān)測隊的大力協(xié)助!

圖1 首都圈跨斷層場地基線丈量與精密測距觀測結(jié)果比較Fig.1Comparison between results of baseline measurement and precise range measurement of cross-fault sites in Capital circle

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STUDY ON PRACTICALITY OF UPDATED BASELINE MEASUREMENT TECHNIQUE

Liu Tianhai1)，Shang Hong1)，Kou Jianxin1)，Chen Liang2)，Yang Huaining1)and Zhang Jincheng1)(
1)National Earthquake Response Support Service，Beijing100049) 2)Earthquake Adiministration of Cixian，Hebei Province，Cixian 056500

P201

A

1671-5942(2011)03-0150-06

2011-02-12

中國地震局地震行業(yè)專項(201008012)

劉天海，男，1953年生，研究員，主要從事大地測量與地震前兆預(yù)測研究.E－mail:liutianhai@263.net